中國航空器碳排放測算與演化特征研究*

朱佳琳 胡 榮 張軍峰 朱昶歆 鄭麗君

(南京航空航天大學民航學院 南京 211106)

0 引 言

民航碳排放的準確測算是開展民航碳減排工作的前提和基礎.國內外學者對民航碳排放的研究已十分豐富，主要涵蓋了航空器碳排放核算方法、特定區(qū)域內碳排放量核算等內容[1-2].在計算航空器全航程碳排放時，由于飛行過程的特征差異，通常將整個航空器運行過程劃分為兩個階段：起飛著陸(landing and take-off，LTO)階段與爬升巡航下降(climb cruise and descent，CCD)階段.現(xiàn)有研究中，既有單獨測算LTO或CCD階段碳排放的，也有測算全航程碳排放的.LTO階段的碳排放一般基于國際民用航空組織(international civil aviation organization，ICAO)標準排放計算模型來核算，Kurniawan等[3]將ICAO標準排放計算模型與其他國際組織頒布的核算方法進行比較，發(fā)現(xiàn)其他核算模型與ICAO計算模型相似度很高，且ICAO模型已被廣泛應用于LTO階段的碳排放計算，可靠性高.Stettler等[4-6]學者均利用此模型估算了特定機場的LTO階段碳排放量.CCD階段相較LTO階段而言具有涉及范圍廣、數(shù)據(jù)不易獲得等特點，因此這一階段的碳排放核算難度也較大，核算方法更具多樣性.Pham等[7]使用雷達數(shù)據(jù)、飛行計劃，以及飛機特定的空氣動力學模型構建較為準確的航班飛行軌跡，并用弦來表示，弦的起點和終點表示該飛行的有效雷達位置，通過使用空氣動力學模型對飛機位置隨時間進行前向積分來計算燃料流量和排放，建立了澳大利亞2008年10月—2009年3月的排放清單.Pagoni等[8]基于飛機性能數(shù)據(jù)庫(base of aircraft data，BADA)的飛機性能模型，結合飛行數(shù)據(jù)獲得飛行路徑的典型高度剖面，以此確定CCD階段的CO2排放，并通過航路網(wǎng)絡構建排放圖，對航路網(wǎng)絡上的污染水平進行評估.但上述的方法只適用于已知具體可用的飛行數(shù)據(jù)的情況下，陳林[9]認為，飛機發(fā)動機產(chǎn)生的碳排放主要取決于發(fā)動機的推力等級設置，目前我國航空公司運營的主流機型巡航階段的發(fā)動機推力等級一般為85%左右，這與飛機在爬升階段的發(fā)動機推力等級相同，因此選取爬升工作狀態(tài)下的燃油消耗率作為巡航階段污染物排放量測算的依據(jù)，這為缺少具體飛行數(shù)據(jù)情況下的CCD階段碳排放核算提供了思路.

縱觀國內外現(xiàn)有文獻，雖然在民航碳排放核算方面取得了豐碩的成果，但仍有以下內容值得深入拓展：①國內民航碳排放相關文獻多集中于“自上而下”(基于總燃油消耗量)的核算，“自下而上”(基于具體運行數(shù)據(jù))的民航碳排放核算較少；②現(xiàn)有文獻多集中于某機場或航線的民航碳排放總量的核算，尚未見文獻對CCD階段碳排放開展省域空間分配研究.因而，本文進行了如下工作：①采用“自下而上”基于具體運行數(shù)據(jù)的方法，測算我國2007—2016年航空器碳排放量；②對我國2007—2016年航空器LTO及CCD階段的碳排放進行省域分配，以期得到我國航空器碳排放的空間分布結果，并以此為基礎研究全國、區(qū)域，以及省域民航碳排放的分布狀況及演化特征.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究的數(shù)據(jù)及其來源主要有：①2007—2016年全國(除港澳臺)機場航班運行數(shù)據(jù)，來源于航空數(shù)據(jù)和航班信息提供商(official airways guide，OAG)數(shù)據(jù)庫；②發(fā)動機基準參數(shù)，來源于ICAO飛機發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫(aircraft engine emissions databank)；③全國(除港澳臺)機場經(jīng)緯度坐標，來源于機場圖；④大圓航線距離，由兩個機場經(jīng)緯度坐標計算得到.考慮到數(shù)據(jù)的不完整性及計算的便捷性，對原始數(shù)據(jù)進行以下處理.

1) 對航班運行數(shù)據(jù)的選擇 OAG數(shù)據(jù)庫中的航班運行數(shù)據(jù)包括了在國內機場起飛或降落的所有國內和國際航班，LTO階段的碳排放核算范圍包括了國內和國際所有客貨運航班(國內航班指出發(fā)和到達機場均為國內機場的航班，不含港澳臺；國際航班指出發(fā)和到達機場中有一個為國內機場，另一個為國外或港澳臺機場)，但在CCD階段的碳排放核算范圍僅為國內客貨運航班.

2) 對缺失數(shù)據(jù)的處理 在收集各運行機型發(fā)動機數(shù)據(jù)時，存在一部分機型發(fā)動機為渦槳發(fā)動機或ICAO發(fā)動機數(shù)據(jù)庫中未包含其匹配發(fā)動機型號的情況(具體機型為：A4F，ANF，ATR，A40，AN4，DH4，AT7，DHT，F(xiàn)50，MA6，SF3，YN7，IL8，S76，AWH，EQV)，由于這部分機型運行頻次占總運行頻次比例極低，本文未將這部分運行機型納入計算與分析.

3) 對機型發(fā)動機型號的確定 相同的機型可能相對應的有幾種發(fā)動機型號，為便于統(tǒng)計計算，每一種機型本文均盡可能選取國內航司使用數(shù)量較多的發(fā)動機型號.本文研究所涉及到的機型與發(fā)動機匹配情況見表1.

表1 機型-發(fā)動機匹配表

4) LTO異常數(shù)據(jù)的處理 同一機型每年在同一機場的進離港架次可能不一致，在LTO階段的計算中，本文取進離港架次的平均值作為各機型的LTO循環(huán)數(shù).

5) 對航程距離的簡化 利用航班出發(fā)和到達機場經(jīng)緯度坐標之間的大圓航線距離代替航程距離，經(jīng)過驗證，大圓航線距離與OAG數(shù)據(jù)庫中實際航程距離之間的誤差極小，因此，對航班航程距離簡化處理帶來的誤差在可接受范圍內.

1.2 研究方法

1.2.1LTO階段碳排放測算模型

飛機在進近、起飛,以及滑行階段的排放對機場周邊居民、環(huán)境等有顯著影響.因而，ICAO在附件16第二卷給出了飛機在混合高度層以下的運行(即LTO循環(huán))的排放測算模型，一個典型的LTO循環(huán)包括飛機在3 000 ft以下運行的4個階段：滑行、起飛、爬升和進近.并確定了各個運行階段下的推力設置等級和工作時間，以CFM56-7B22發(fā)動機為例，其基準參數(shù)見表2.CO2的排放量只與燃油消耗量有關，其排放指數(shù)通常取常數(shù)3.115(kg/kg).

表2 LTO循環(huán)下CFM56-7B22發(fā)動機基準參數(shù)

因此，先計算出總燃油消耗量，再乘以CO2排放指數(shù)即可得到碳排放總量.LTO階段碳排放總量為

(1)

式中：ELTO為總CO2排放量；mj為j機型LTO循環(huán)數(shù)；nj為j機型發(fā)動機個數(shù)；i為飛機的飛行階段；tij為j機型在第i個飛行階段運行的時間；Fij為j機型在第i個飛行階段的單發(fā)燃油流量；I為CO2排放指數(shù).

1.2.2CCD階段碳排放測算模型

CCD包括了爬升、巡航和下降三個階段，各階段的推力水平并不一致，但由于爬升和下降階段都不是標準化的，在核算大量航班的燃油消耗、碳排放量時就需要做一些假設[10].因此，本文將CCD階段碳排放的核算簡化為巡航階段的碳排放核算.

通常情況下，巡航階段的推力設置參考值為80%[11].本文結合發(fā)動機在LTO階段推力設置下的燃油流量，比較線性、多項式等擬合方式后，選擇R2最高的二項式擬合計算得出各發(fā)動機在80%推力設置下的燃油流量.此外，OAG數(shù)據(jù)庫中包含了全國運行航班的運行時間，本文將整個航班運行過程分為LTO和CCD兩個階段，參考ICAO設置的LTO運行時間，即可得到航班在CCD階段的運行時間：

tCCD=tTOTAL-tLTO

(2)

式中：tCCD為CCD運行時間；tTOTAL為總運行時間；tLTO為LTO運行時間.

因此，結合航班CCD運行時間、發(fā)動機80%推力設置時的燃油流量以及CO2排放指數(shù)就可以計算得到某航班CCD階段的碳排放量.

ECCD=ntCCDFCCDI

(3)

式中：ECCD為某航班CCD階段的碳排放量；n為航班機型發(fā)動機個數(shù)；tCCD為航班在CCD階段的運行時間；FCCD為航班機型在CCD階段的燃油流量；I為CO2排放指數(shù).

1.2.3碳排放的省域分配方法

根據(jù)航空器的運行階段，碳排放可分為LTO與CCD兩個階段.為了研究省域的碳排放演化特征，需研究碳排放的省域分配.

1) LTO階段碳排放的省域分配方法 省域范圍內所有機場LTO階段碳排放量的總和即為該省域LTO階段的碳排放.

2) CCD階段碳排放的省域分配方法 目前，尚未見文獻對國內航班CCD階段的碳排放進行省域分配，本文創(chuàng)新性地提出在ArcGIS軟件中，用航班出發(fā)和到達機場經(jīng)緯度坐標之間的大圓航線代替航班飛行航跡，利用中國地圖的省界線對大圓航線進行分割，得出航線在經(jīng)過的各個省域范圍內的距離長度占整個航線的比例，再將航班CCD階段的碳排放按上述比例進行省域分配.

以北京首都機場(PEK)—成都雙流機場(CTU)航線為例，整個飛行過程經(jīng)歷5個省市，利用上述方法將航線分段可得該航線在各個經(jīng)過省域的長度及其占總航線長度的比例，見表3.

表3 PEK—CTU航線省域長度占比表

PEK—CTU航線CCD階段的碳排放即可依據(jù)此比例進行分配.省域的碳排放可由省域LTO階段碳排放和分配到該省的CCD階段碳排放加總得到.

2 結果與討論

2.1 全國視角的碳排放量分析

依據(jù)上述LTO、CCD階段的碳排放計算公式和數(shù)據(jù)，計算得出2007—2016年全國范圍內的航空器碳排放量.圖1為2007—2016年全國LTO、CCD階段碳排放量、全國碳排放總量以及碳排放總量和運輸總周轉量的增長率.

圖1 全國2007—2016年航空器碳排放總量及增長率圖

由圖1可知，2016年全國航空器碳排放總量為1.36×108t，是2007年的3倍，其中，CCD階段碳排放量占總排放量的比例一直維持在90%左右，同樣是2007年的近3倍，而LTO階段碳排放量僅占碳排放總量的10%左右，增長速度較為緩慢；全國碳排放總量增長率與全國總周轉量增長率趨勢逐漸趨于一致.

由此可見，由于運行時間長、發(fā)動機推力等級較高等原因，CCD階段碳排放是航空器運行過程中的主要排放，發(fā)展綠色民航、有效控制航空器碳排放需從減少航空器CCD階段碳排放入手.

2.2 區(qū)域視角的碳排放量分析

將我國除港澳臺外的31個省(自治區(qū)、直轄市)依據(jù)自然條件、經(jīng)濟基礎以及對外開放程度劃分為東部、中部和西部三大地區(qū)，東部地區(qū)包括北京、天津、河北、遼寧、上海、江蘇、浙江、福建、山東、廣東、海南11個省(直轄市)，中部地區(qū)包括黑龍江、吉林、山西、安徽、江西、河南、湖北、湖南八個省，西部地區(qū)包括內蒙古、廣西、重慶、四川、貴州、云南、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆12個省(自治區(qū)、直轄市).各地區(qū)2007—2016年的排放量及占全國碳排放總量的比例見圖2.

圖2 東中西部地區(qū)碳排放量及占比圖

由圖2可知，10年間東、中、西部地區(qū)碳排放量均逐年增長，且東部地區(qū)的排放量一直最高，其次為中部、西部地區(qū).但值得注意的是，東部地區(qū)的排放占比從2007年將近50%下降到2016年的40%，與此同時，中部和西部的占比均有所提升，從占比趨勢線可以看出三個地區(qū)之間的排放差異在逐漸縮小.這一現(xiàn)象與國家實施西部大開發(fā)等方針戰(zhàn)略有緊密的聯(lián)系，經(jīng)濟的快速發(fā)展也帶動了旅游業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加速了人口流動，使得中西部地區(qū)航空運輸市場得以開拓.

2.3 省域視角的碳排放量分析

根據(jù)碳排放分配方法，得出2007—2016年全國各省(自治區(qū)、直轄市)碳排放量，其中2016年省域碳排放量見表4.

并將2007、2016年全國各省(自治區(qū)、直轄市)的碳排放量在ArcGIS軟件中可視化，見圖3.

圖3 典型年份省域航空器碳排放量分布圖

由圖3可知，10年間全國各省碳排放量均大幅增長，廣東、山東、江西等省份排放水平一直保持在前列，黑龍江、西藏、青海等省份排放水平較低，而北京、上海雖然機場的繁忙程度在國內名列前茅，但碳排放量卻處于國內較低水平.

省域內碳排放除了在省內起降的航班所造成的排放外，還包括了途經(jīng)該省域的航班造成的碳排放.為了深入探究省域碳排放的演化特征，本文將在省域內起降的航班LTO及CCD階段在該省域內產(chǎn)生的碳排放稱為該省的主動排放，其余途經(jīng)其省域的航班CCD階段的碳排放稱為被動排放.分別核算各省2007—2016年的主被動排放，并計算各省的主被動排放占總排放量的比例，其中，2007年、2016年各省主動排放占比見圖4.

圖4 2007、2016年各省份主動排放占比圖

結合圖3～4可知，主動排放占比與省份排放總量并非成正比.2007年和2016年上海、北京、黑龍江、云南、海南等地主動排放占比均較高，在50%以上；河北、安徽、江西等地的主動排放占比則很低，幾乎不到5%.而黑龍江、云南、海南及上海、北京等地主動排放占比雖高，碳排放總量卻是國內較低水平；相反，河北、安徽、江西等地主動排放占比低，總排放量卻名列前茅.這主要是因為，黑龍江、云南,以及海南等省份均處于我國邊境地區(qū)，省域內途經(jīng)的航班較少，而上海、北京則由于直轄市面積相較其他省份而言較小，且多為始發(fā)/終點航班，途經(jīng)航班CCD階段排放少，因而主動排放占比高、排放總量低；河北、江西、安徽等省份處于我國中部，省域內途經(jīng)的航班多，因而主動排放占比低、排放總量卻高.

主動排放在一定程度上可體現(xiàn)省份航空運輸業(yè)的發(fā)展程度，一般認為主動排放越多，航空運輸業(yè)越發(fā)達.而由上述內容可見，省域內碳排放量高并不完全代表該省份的航空運輸業(yè)發(fā)達(如江西、安徽等省份)，同樣，省域內碳排放量低也不完全代表該省份的航空運輸業(yè)不發(fā)達(如北京、上海等直轄市)，碳排放量的大小不僅和省內航空運輸業(yè)是否發(fā)達有關，還與其地理位置、省域面積大小有關.數(shù)據(jù)證實，對多數(shù)省份而言，主動排放對省份總排放量的影響要低于被動排放，這也解釋了為何山東、江西以及一些中部省份能成為航空碳排放大省.因此，在制定減排目標時，要區(qū)分各省主被動排放情況，才能科學、公正、合理地分配民航碳減排任務.

3 結 論

1) 全國碳排放總量持續(xù)快速增長 全國航空器碳排放總量由4.58×107t增長至1.36×108t，年平均增長率達11.5%，且未見放緩趨勢.

2) CCD階段碳排放占總排放的比例高 相比較LTO階段而言，航空器在CCD階段運行時間長、推力等級較高，是整個運行過程中的主要排放，平均占據(jù)總排放的90%.

3) 東中西部地區(qū)碳排放占比依次遞減，但地區(qū)間排放差異逐步縮小 東部地區(qū)排放占比由47.14%降至40.19%，中西部地區(qū)占比分別由28.7%、24.16%提升至31.98%、27.82%，體現(xiàn)出中西部民航的快速發(fā)展.

4) 省域碳排放量的大小不僅與省內航空業(yè)發(fā)達程度有關，還與省份地理位置、省域面積大小相關 省域碳排放可分為主動排放與被動排放，主動排放量與省內航空業(yè)發(fā)達程度有關，被動排放量則與省份地理位置、省域面積相關，兩者共同決定省域碳排放總量.

5) 多數(shù)省份主動排放占總排放量的比例低于被動排放 除上海、北京、黑龍江、云南和海南外，其余省份主動排放占總排放量的比例均不足50%，河北、安徽及江西等省份甚至不足5%，分配減排任務時應區(qū)分主被動排放，充分考慮省域碳排放的特征與差異.

未來可對全國航空器碳排放的驅動因素進行深入研究.